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深入探討:宏、內聯函數與普通函數的區別

編輯:C語言基礎知識
內聯函數的執行過程與帶參數宏定義很相似,但參數的處理不同。帶參數的宏定義並不對參數進行運算,而是直接替換
;內聯函數首先是函數,這就意味著函數的很多性質都適用於內聯函數,即內聯函數先把參數表達式進行運算求值,然
後把表達式的值傳遞給形式參數。
    內聯函數與帶參數宏定義的另一個區別是,內聯函數的參數類型和返回值類型在聲明中都有明確的指定;而帶參數
宏定義的參數沒有類型的概念,只有在宏展開以後,才由編譯器檢查語法,這就存在很多的安全隱患。
    使用內聯函數時,應注意以下問題:
    1)內聯函數的定義性聲明應該出現在對該函數的第一次調用之前。
    2)內聯函數首先是函數,函數的很多性質都適用於內聯函數,如內聯函數可以重載。
    3)在內聯函數中不允許使用循環語句和switch結果,帶有異常接口聲明的函數也不能聲明為內聯函數。
先說宏和函數的區別:
1. 宏做的是簡單的字符串替換(注意是字符串的替換,不是其他類型參數的替換),而函數的參數的傳遞,參數是有數據類
型的,可以是各種各樣的類型.
2. 宏的參數替換是不經計算而直接處理的,而函數調用是將實參的值傳遞給形參,既然說是值,自然是計算得來的.
3. 宏在編譯之前進行,即先用宏體替換宏名,然後再編譯的,而函數顯然是編譯之後,在執行時,才調用的.因此,宏占用的
是編譯的時間,而函數占用的是執行時的時間.
4. 宏的參數是不占內存空間的,因為只是做字符串的替換,而函數調用時的參數傳遞則是具體變量之間的信息傳遞,形參
作為函數的局部變量,顯然是占用內存的.
5. 函數的調用是需要付出一定的時空開銷的,因為系統在調用函數時,要保留現場,然後轉入被調用函數去執行,調用完,
再返回主調函數,此時再恢復現場,這些操作,顯然在宏中是沒有的.
現在來看內聯函數:
所謂"內聯函數"就是將很簡單的函數"內嵌"到調用他的程序代碼中,只樣做的目的是為了避免上面說到的第5點,目的旨
在節約下原本函數調用時的時空開銷.但必須注意的是:作為內聯函數,函數體必須十分簡單,不能含有循環、條件、選擇
等復雜的結構,否則就不能做為內聯函數了。事實上,即便你沒有指定函數為內聯函數,有的編譯系統也會自動將很簡
單的函數作為內聯函數處理;而對於復雜的函數,即便你指定他為內聯函數,系統也不會理會的。

介紹內聯函數之前,有必要介紹一下預處理宏。內聯函數的功能和預處理宏的
功能相似。相信大家都用過預處理宏,我們會經常定義一些宏,如
#define TABLE_COMP(x) ((x)>0?(x):0)
就定義了一個宏。

  為什麼要使用宏呢?因為函數的調用必須要將程序執行的順序轉移到函數
所存放在內存中的某個地址,將函數的程序內容執行完後,再返回到轉去執行
該函數前的地方。這種轉移操作要求在轉去執行前要保存現場並記憶執行的地
址,轉回後要恢復現場,並按原來保存地址繼續執行。因此,函數調用要有一
定的時間和空間方面的開銷,於是將影響其效率。而宏只是在預處理的地方把
代碼展開,不需要額外的空間和時間方面的開銷,所以調用一個宏比調用一個
函數更有效率。

  但是宏也有很多的不盡人意的地方。
  1、.宏不能訪問對象的私有成員。
  2、.宏的定義很容易產生二意性。
我們舉個例子:
#define TABLE_MULTI(x) (x*x)
  我們用一個數字去調用它,TABLE_MULTI(10),這樣看上去沒有什麼錯誤,
結果返回100,是正確的,但是如果我們用TABLE_MULTI(10+10)去調用的話,
我們期望的結果是400,而宏的調用結果是(10+10*10+10),結果是120,這顯
然不是我們要得到的結果。避免這些錯誤的方法,一是給宏的參數都加上括號。

#define TABLE_MULTI(x) ((x)*(x))
 
  這樣可以確保不會出錯,但是,即使使用了這種定義,這個宏依然有可能
出錯,例如使用TABLE_MULTI(a++)調用它,他們本意是希望得到(a+1)*(a+1)的
結果,而實際上呢?我們可以看看宏的展開結果: (a++)*(a++),如果a的值是
4,我們得到的結果是5*6=30。而我們期望的結果是5*5=25,這又出現了問題。
事實上,在一些C的庫函數中也有這些問題。例如: Toupper(*pChar++)就會對
pChar執行兩次++操作,因為Toupper實際上也是一個宏。

  我們可以看到宏有一些難以避免的問題,怎麼解決呢?
 
  下面就是用我要介紹的內聯函數來解決這些問題,我們可以使用內聯函數
來取代宏的定義。而且事實上我們可以用內聯函數完全取代預處理宏。

  內聯函數和宏的區別在於,宏是由預處理器對宏進行替代,而內聯函數是
通過編譯器控制來實現的。而且內聯函數是真正的函數,只是在需要用到的時
候,內聯函數像宏一樣的展開,所以取消了函數的參數壓棧,減少了調用的開
銷。你可以象調用函數一樣來調用內聯函數,而不必擔心會產生於處理宏的一
些問題。
  我們可以用Inline來定義內聯函數,不過,任何在類的說明部分定義的函
數都會被自動的認為是內聯函數。

  下面我們來介紹一下內聯函數的用法。
 
  內聯函數必須是和函數體申明在一起,才有效。像這樣的申明
Inline Tablefunction(int I)是沒有效果的,編譯器只是把函數作為普通的函
數申明,我們必須定義函數體。

Inline tablefunction(int I) {return I*I};
 
  這樣我們才算定義了一個內聯函數。我們可以把它作為一般的函數一樣調
用。但是執行速度確比一般函數的執行速度要快。

  我們也可以將定義在類的外部的函數定義為內聯函數,比如:
代碼如下:
 
Class TableClass{
 Private:
  Int I,j;
 Public:
  Int add() { return I+j;};
  Inline int dec() { return I-j;}
  Int GetNum();
}
inline int tableclass::GetNum(){
return I;
}
 
  上面申明的三個函數都是內聯函數。在C++中,在類的內部定義了函數體的
函數,被默認為是內聯函數。而不管你是否有inline關鍵字。

  內聯函數在C++類中,應用最廣的,應該是用來定義存取函數。我們定義的
類中一般會把數據成員定義成私有的或者保護的,這樣,外界就不能直接讀寫我
們類成員的數據了。
    對於私有或者保護成員的讀寫就必須使用成員接口函數來進行。如果我們把
這些讀寫成員函數定義成內聯函數的話,將會獲得比較好的效率。
代碼如下:
 
Class sample{
 Private:
  Int nTest;
 Public:
  Int readtest(){ return nTest;}
 Void settest(int I) {nTest=I;}
}
 
  當然,內聯函數也有一定的局限性。就是函數中的執行代碼不能太多了,如
果,內聯函數的函數體過大,一般的編譯器會放棄內聯方式,而采用普通的方式
調用函數。這樣,內聯函數就和普通函數執行效率一樣了。

 
宏的使用
/*這一系列文章《C++ Tips》是公司Code Committee專家會推薦工程師看的,感覺很好,拿出來與大家共同提高。並不
是知道多少會使人與人產生差別,真正的差別在於你能做到多少。
很多程序員不知道C中的“宏”到底是什麼意思?特別是當宏有參數的時候,經常把宏和函數混淆。我想在這裡我還是
先講講“宏”,宏只是一種定義,他定義了一個語句塊,當程序編譯時,編譯器首先要執行一個“替換”源程序的動作
,把宏引用的地方替換成宏定義的語句塊,就像文本文件替換一樣。這個動作術語叫“宏的展開”。使用宏是比較“危
險”的,因為你不知道宏展開後會是什麼一個樣子。例如下面這個宏:
   #define MAX(a, b) a>b?a:b
當我們這樣使用宏時,沒有什麼問題: MAX( num1, num2 ); 因為宏展開後變成 num1>num2?num1:num2;。 但是,如
果是這樣調用的,MAX( 17+32, 25+21); 呢,編譯時出現錯誤,原因是,宏展開後變成:17+32>25+21?17+32:25+21,
Woh,這是什麼啊?
所以,宏在使用時,參數一定要加上括號,上述的那個例子改成如下所示就能解決問題了。
   #define MAX( (a), (b) ) (a)>(b)?(a)b)
即使是這樣,也不這個宏也還是有Bug,因為如果我這樣調用 MAX(i++,j++); , 經過這個宏以後,i和j都被累加了兩
次,這絕不是我們想要的。所以,在宏的使用上還是要謹慎考慮,因為宏展開是的結果是很難讓人預料的。而且雖然,
宏的執行很快(因為沒有函數調用的開銷),但宏會讓源代碼澎漲,使目標文件尺寸變大,(如:一個50行的宏,程序
中有1000個地方用到,宏展開後會很不得了),相反不能讓程序執行得更快(因為執行文件變大,運行時系統換頁頻繁
)。
因此,在決定是用函數,還是用宏時得要小心。
 
C++中的內聯函數定義很簡單,只要在普通的函數前加一個關鍵字inline就可以了,除此之外和普通函數表面上沒有什
麼區別(包括函數的調用方式),因為這樣,所以在很多的C++初學者(甚至一些有C++編程經驗的人) 看來,內聯只
是一個概念而已,其實這是對內聯函數沒有徹底的認識,下面我們就來談談內聯函數和普通 函數以及和宏的區別,相
讀完下面的部分,你對這三者一定有了很好的理解。
       內聯函數和普通函數最大的區別在於內部的實現方面,而不是表面形式,我們知道普通函數在被調用時,系統
首先要 跳躍到該函數的入口地址,執行函數體,執行完成後,再返回到函數調用的地方,函數始終只有一個拷貝; 而
內聯函數則不需要進行一個尋址的過程,當執行到內聯函數時,此函數展開(很類似宏的使用),如果在 N處調用了此
內聯函數,則此函數就會有N個代碼段的拷貝。
       從內聯函數的調用來看,它因為少了一個尋址過程而提高了代碼的執行效率,但是這是以空間的代價來換取的

       聲明為內聯的函數,其代碼段不能太長,過長,一些編譯器則視為普通 函數(究竟函數體多長就超過了限制,
這個好象沒有規定,這個也確實不好規定,個人覺得應該視函數體的邏輯而定)。
      下面是內聯函數的聲明舉例:
     inline void SetVal(int a){ m_b = a};
     inline int GetVal(){ return m_b};
     從上面的例子可以看出,內聯函數的聲明和實現通常都會在一個文件當中(一般放在.h中就可以了)。
     下面我們再來說說內聯函數與宏的區別。很多的資料上,在談到內聯函數時就說,內聯函數和宏很類似,但是類
似歸類似,畢竟我們不能把這兩者互換使用。
     這兩者的相似之處在於執行時編譯器對其的處理,會將其代碼展開,執行完後繼續下面的處理。不同之處在於宏
是簡單的文本替換,它不能返回值,也沒有一般函數參數的概念;而內聯函數則具備了普通函數的特征,如參數列表,
返回值等。下面我們舉個例子說明:
     1.#define COUNT(X)(X * X) // 一個計算乘積的宏
     2.inline int count(int x){return x*x} //一個計算乘積的內聯函數
   
     printf(COUNT(3)); // 結果為 COUNT(3) ( 3 * 3) = 9;
     printf(count(3)); // 結果為 count(3){return 3*3 }=9;

     上面的例子好象不足以說明兩者的區別,我們把上面的例子的調用改改,再看看結果

     printf(COUNT(2+3)); //結果為COUNT(2+3)(2+3 * 2+3) = 11
     printf(count(2+3)); //結果為count(2+3){return 5*5 ;} = 25;

     如果宏要達到乘積為25的結果,應該這樣寫:
     #define COUNT(X)((X)*(X))
     對應到上面的例子就是 #define COUNT(2+3)((2+3)*(2+3))
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